1. توسيع مساحة النحاس وصب النحاس بمساحة كبيرة
المبدأ الأساسي: يمتلك النحاس موصلية حرارية تبلغ حوالي 401 واط/(م·ك)، وهي أعلى بآلاف المرات من الركيزة FR‑4 (~0.3 واط/(م·ك)). يؤدي توسيع مساحة رقائق النحاس حول مكونات توليد الحرارة إلى إنشاء مقطع عرضي أكبر لنشر الحرارة وتقليل المقاومة الحرارية للوصلة إلى البيئة المحيطة بشكل فعال.
النقاط الرئيسية الهندسية:
يجب أن تتصل دبابيس الطاقة والأرض الخاصة بالدوائر المرحلية كثيفة الحرارة مباشرة بالطائرات النحاسية الكبيرة؛ تجنب الآثار الضيقة التي تحد من تدفق الحرارة.
صب النحاس على كلا الطبقتين العلوية والسفلية وقم بربطهما حرارياً عبر المنافذ لتحقيق مضاعفة سمك النحاس المكافئ.
لا يوفر صب النحاس الأكبر دائمًا فوائد متناسبة. يتضاءل الكسب الحراري بما يتجاوز 3 إلى 5 أضعاف حجم الشريحة. يوازن الأداء الحراري مع EMI وسلامة الإشارة.
بالنسبة لأجهزة BGA / QFN ذات الوسائد الحرارية السفلية، حافظ على النحاس المستمر دون تجزئة مباشرة أسفل الشريحة.
2. مصفوفة فيا الحرارية
المبدأ الأساسي: عندما تكون الوسادة الحرارية لأحد المكونات على الطبقة العليا بينما يحدث تبديد كبير للحرارة في الطبقات السفلية أو الداخلية، فإن المقاومة الحرارية العمودية يهيمن عليها عازل FR‑4. تشكل الممرات الحرارية قنوات نحاسية عبر طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، مما ينقل الحرارة بسرعة من وسادات الجانب العلوي إلى الطبقة السفلية من النحاس أو المشتتات الحرارية. إنها تمثل واحدة من أكثر الطرق فعالية لتقليل المقاومة الحرارية العمودية.
النقاط الرئيسية الهندسية:
الكمية مهمة أكثر من القطر الفردي. تتفوق العديد من الفتحات الصغيرة على واحدة كبيرة. التنفيذ النموذجي: قطر 0.3-0.5 مم مرتبة في صفائف بمسافة 1.0-1.5 مم أسفل الفوط الحرارية.
منع فتل اللحام: قد يؤدي الهبوط المباشر على الوسادات إلى سحب اللحام بعيدًا. بالنسبة للإنتاج الضخم، استخدم VIPPO (Via-in-Pad Plated-Over) مع الحشو والتغطية النحاسية.
قم بإقران الممرات الحرارية مع الطبقة الداخلية الصلبة الأرضية أو طائرات الطاقة لبناء هيكل ثلاثي الأبعاد لتبديد الحرارة يجمع بين الممرات والطائرات.
بالنسبة للأجهزة التي يزيد استهلاكها للطاقة عن 5 واط، استخدم 9 فتحات حرارية على الأقل وتحقق من صحة النتائج من خلال المحاكاة الحرارية.
3. الوسادة الحرارية والوسادة المكشوفة (EPAD)
المبدأ الأساسي: تتميز الحزم مثل QFN وDFN وSOIC‑EP بلوحة قالب معدنية مكشوفة في الجزء السفلي مرتبطة مباشرة بقالب الشريحة. تسمح الوسادة النحاسية المطابقة المصممة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور للحرارة بالهروب من الجانب الخلفي للرقاقة وليس فقط من خلال أسلاك المكونات.
النقاط الرئيسية الهندسية:
يجب أن يتبع بُعد ثنائي الفينيل متعدد الكلور EPAD توصيات ورقة البيانات، والتي عادة ما تكون أكبر قليلاً (هامش 0.1 إلى 0.25 مم على كل جانب) من اللوحة المكشوفة للعبوة.
قم بتوجيه EPAD إلى الطبقات النحاسية الكبيرة ذات الطبقة السفلية أو الداخلية من خلال الحرارة عبر المصفوفات؛ توفر الطبقة العليا من النحاس وحدها قدرة تبريد محدودة.
تصميم استنسل بفتحات صغيرة متعددة (بدلاً من فتحة واحدة كبيرة صلبة) فوق EPAD للتحكم في حجم معجون اللحام ومنع طفو المكونات أو تجسيرها.
يمكن لـ EPAD المطبق جيدًا أن يحقق مقاومة حرارية منخفضة تصل إلى 1‑2 درجة /وات، مما يوفر أداءً عالي التكلفة للتصميم الحراري.
4. ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو النواة المعدنية (MCPCB / ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو قاعدة الألومنيوم)
المبدأ الأساسي: تتميز ركائز FR‑4 القياسية بموصلية حرارية ضعيفة. يستخدم MCPCB الألومنيوم أو النحاس كنواة مع طبقة عازلة رقيقة موصلة حرارياً (50-100 ميكرومتر). تصل الموصلية الحرارية الإجمالية إلى 1‑8 واط/(م·ك)، وهي أعلى بعدة مرات من FR‑4. تنتقل الحرارة من منصات المكونات عبر الطبقة العازلة إلى القلب المعدني ثم إلى العلبة.
النقاط الرئيسية الهندسية:
التطبيقات النموذجية: إضاءة LED عالية الطاقة، وإلكترونيات السيارات، ووحدات الطاقة. يعتمد التحكم في درجة حرارة الوصلات LED بشكل كبير على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات القاعدة الألومنيوم.
الطبقة العازلة هي عنق الزجاجة الحراري الرئيسي. إعطاء الأولوية للتوصيل الحراري العازل بدلاً من التركيز فقط على المواد المعدنية الأساسية أثناء اختيار المكونات.
تكلفة أعلى من FR‑4. يتطلب المعالجة المعقدة بسبب النواة المعدنية الموصلة؛ يمثل MCPCB متعدد الطبقات تحديًا تقنيًا.
البديل: عملة نحاسية جزئية / ترصيع نحاسي مدمج داخل لوحات FR‑4 لتحقيق التوازن بين التكلفة والأداء الحراري.
5. المشتتات الحرارية الخارجية ومواد الواجهة الحرارية (TIM)
المبدأ الأساسي: عندما يصل تبديد الحرارة الداخلي لثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى الحد الأقصى، يجب توصيل الحرارة إلى مشتتات حرارة خارجية أكبر. تتلامس مكونات توليد الحرارة أو نحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور الموجود على الجانب الخلفي مع المشتتات الحرارية عبر TIMs، مما يملأ الفجوات المجهرية ويزيح الهواء (الموصلية الحرارية للهواء ~ 0.026 وات/(م·ك)، موصل حراري رديء).
| يكتب | الموصلية الحرارية | سماكة | سيناريوهات التطبيق |
|---|---|---|---|
| الشحوم الحرارية | 2‑8 W/(m·K) | رقيقة جداً(<0.1 mm) | إغبت، وحدة المعالجة المركزية؛ التطبيقات التي تسمح بإعادة التجميع مع الضغط المتحكم فيه |
| وسادة الفجوة الحرارية | 1‑6 W/(m·K) | 0.5-5 ملم | تعويض فرق الارتفاع، العزل الكهربائي، امتصاص الصدمات |
| لاصق حراري مكون من مكونين | 1‑3 W/(m·K) | تعتمد على التطبيق | السيناريوهات التي تتطلب الاتصال الحراري والترابط الميكانيكي |
| مواد تغيير الطور | 3‑6 W/(m·K) | 0.1-0.25 ملم | يذوب تحت درجة حرارة عالية لملء الفجوات، وموثوقية جيدة على المدى الطويل |
6. تحسين تخطيط المكونات وتصميم مجاري الهواء
المبدأ الأساسي: تركز الطرق الخمس السابقة على التوصيل الحراري. في النهاية يجب أن تتبدد الحرارة إلى المحيط من خلال الحمل الحراري والإشعاع. يمكن أن يؤدي التخطيط المناسب وتصميم تدفق الهواء إلى تقليل المقاومة الحرارية للنظام بشكل كبير دون تكلفة إضافية لقائمة مكونات الصنف.
ملخص: التفكير المنهجي للتصميم الحراري
لا يقتصر التصميم الحراري لثنائي الفينيل متعدد الكلور على تجميع الحيل الفردية فحسب، بل إنه تحسين منهجي عبر سلسلة المقاومة الحرارية الكاملة:
وصلة الرقاقة ← الحزمة ← لوحة اللحام ← PCB النحاس ← Vias / المعدن الأساسي ← المشتت الحراري ← البيئة المحيطة
تحتاج المقاومة الحرارية لكل قطعة إلى تقييم كمي. سير العمل الموصى به:
تقدير استهلاك الطاقة والحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة المسموح بها لكل جهاز توليد الحرارة.
احسب إجمالي المقاومة الحرارية المسموح بها: θ_JA=(T_Jmax − T_Ambient) / P_max.
تخصيص ميزانية المقاومة الحرارية للعبوات وثنائي الفينيل متعدد الكلور والمشتت الحراري وتحديد الاختناقات.
الجمع بين الأساليب المذكورة أعلاه. توفر EPAD بالإضافة إلى المنافذ الحرارية بالإضافة إلى الطبقة السفلية الكبيرة من النحاس خط الأساس الأكثر فعالية من حيث التكلفة. أضف المشتتات الحرارية أو الألواح المعدنية لسيناريوهات الطاقة العالية.
التحقق من الصحة عن طريق المحاكاة الحرارية (FloTHERM، ANSYS Icepak وما إلى ذلك) والمعايرة باستخدام قياسات التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء.
